Olimpiadas de Matemáticas
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Solución. Observemos que el polinomio característico asociado a ambas sucesiones es $p(x)=x^2-2x+1=(x-1)^2$, que tiene a $x=1$ por raíz doble. Por tanto, las soluciones de la sucesión recurrente homogénea para $(b_n)$ son las de la forma $b_n=\beta n+8$ para ciertos $\beta,\gamma\in\mathbb{Z}$ (hemos escrito directamente el término independiente como $8$ ya que se cumple que $b_0=8$). Para obtener las soluciones de la sucesión recurrente no homogénea para $(a_n)$, usaremos un polinomio de grado $2$ (véase la nota más abajo). Sustituyendo $a_n=\delta n^2+\alpha n$ (no tenemos por qué poner término independiente ya que $a_0=0$), se tiene que \begin{align*} 2=a_{n+2}-2a_{n+1}+a_n&=\delta(n+2)^2+\alpha(n+2)-2\delta(n+1)^2-2\alpha(n+1)+\delta n^2+\alpha n\\ &=\delta n^2+4\delta n+4\delta+\alpha n+2\alpha-2\delta n^2-4\delta n-2\delta-2\alpha n-2\alpha+\delta n^2-\alpha n=2\delta. \end{align*} Deducimos que las sucesiones que cumplen esta recursión son las de la forma $a_n=n^2+\alpha n$. Nos queda por imponer la última condición del enunciado, para lo que calculamos \[a_n^2+b_n^2=(n^2+\alpha n)^2+(\beta n+8)^2=n^4+2\alpha n^3+(\alpha^2+\beta^2)n^2+16\beta n+64.\] La forma más sencilla de que esto sea un cuadrado perfecto es que sea el cuadrado de un polinomio, para lo cual lo igualaremos a \[(n^2+kn+8)^2=n^4+2kn^3+(16+k^2)n^2+16kn+64.\] Identificando coeficientes, llegamos a que $\alpha=\beta=k$ y $k^2=16$, lo que nos da dos soluciones para $k=\pm 4$.

• Una solución es $a_n=n^2+4n$ y $b_n=4n+8$ para todo $n\in\mathbb N$, que nos da $(a_{1992},b_{1992})=(3976032,7976)$.
• La otra solución es $a_n=n^2-4n$ y $b_n=-4n+8$ para todo $n\in\mathbb N$, que nos da $(a_{1992},b_{1992})=(3960096,-7960)$.

Nota. Dada una sucesión definida por una recurrencia $x_{n+2}=a x_{n+1}+bx_n$, esta tiene polinomio característico $x^2-ax-b$. Si este polinomio tiene dos raíces distintas $\lambda$ y $\mu$, entonces la sucesión es de la forma $x_n=r\lambda^n+s\mu^n$ para ciertas constantes $r$ y $s$. Si el polinomio tiene una raíz doble $\lambda$, entonces las soluciones son de la forma $x_n=c\lambda^n+dn\lambda^n$ para ciertas constantes $c$ y $d$. Las constantes se determinan imponiendo la condición inicial.

En el caso de la recursión no homogénea $x_{n+2}=a x_{n+1}+bx_n+f(n)$, se ha de comenzar encontrando una solución particular. En el caso de que $f(n)$ sea un polinomio, la solución particular es un polinomio (por eso hemos probado con polinomios de un grado superior en este problema). Una vez obtenida la solución particular, la solución general es la suma de la solución particular con todas las soluciones de la ecuación homogénea asociada (para $f(n)=0$).

Solución. Supongamos que $n^2$ es un elemento de la sucesión. Llamando $d\in\mathbb{N}$ a su diferencia, todos los términos a partir de $n^2$ serán de la forma $n^2+ad$ con $a\in\mathbb{N}$, por lo que $(n+d)^2=n^2+(2n+d)d$ es otro cuadrado en la sucesión y es mayor que $n^2$. Esto implica claramente que la sucesión contiene infinitos cuadrados.

Solución. Al insertar entre cada dos números su suma, a la suma de todos los números le estamos sumando ambos números. Como cada número del paso $n$ aparece en dos sumas nuevas del paso $n+1$, en total habremos sumado todos los números dos veces. Si llamamos $S_n$ a la suma de los números en el paso $n$, tendremos entonces que $S_{n+1}=S_n+2S_n=3S_n$. Ahora bien, en el paso $1$ tenemos que $S_1=1+1=2$, luego se sigue claramente que $S_{n}=2\cdot 3^{n-1}$.

Nota. En realidad, cambiar la cantidad de números iniciales o sus valores sólo afecta a $S_1$, de forma que la fórmula $S_{n}=3^{n-1}S_1$ es independiente de la configuración inicial.

Solución. Supongamos que el máximo de todos los números es $a_k$ para cierto índice $k$ distinto de $0$ y $n$ (si el máximo fuera $a_0=0$ o $a_n=0$ no habría nada que demostrar). Entonces, \[2a_k\leq a_{k-1}+a_{k+1}\leq a_k+a_k=2a_k,\] ya que $a_k$ es el máximo. Esto nos dice que $a{k-1}=a_k=a_{k+1}$, por lo que el máximo también se alcanza en $a{k-1}$. Repitiendo el argumento, el máximo también se alcanzará en $a_{k-2}$, en $a_{k-3}$,... y así sucesivamente. Por tanto, el máximo también se alcanza en $a_0=0$ y hemos terminado.

Nota. Lo que hemos probado realmente es que el máximo de la sucesión se alcanza estrictamente en $a_0$ y $a_n$ o bien la sucesión es constante cero. Más aún, no es difícil ver a partir de este argumento que si la sucesión no es constante cero, entonces tiene un único mínimo y es estrictamente decreciente hasta el mínimo y luego estrictamente creciente hasta el máximo

Solución. La condición $a\geq\frac{-3}{4}$ asegura que las raíces cuadradas están bien definidas, luego toda la expresión está bien definida (las raíces cúbicas se pueden calcular para todo número real). Si llamamos $x$ e $y$ a los dos sumandos, no es difícil comprobar que \[x^3+y^3=a+1,\qquad xy=\frac{-a}{3},\] por lo que podemos escribir, usando el binomio de Newton, \[(x+y)^3=x^3+y^3+3xy(x+y)=a+1-a(x+y).\] En otras palabras, el número del enunciado es solución de la ecuación $z^3+az-a-1=0$. Esta ecuación de tercer grado se puede factorizar como $(z-1)(z^2+z+a+1)=0$ y la ecuación $z^2+z+a+1$ tiene discriminante $1-4(a+1)=-3-4a\leq 0$, siendo la igualdad únicamente para $a=\frac{-3}{4}$. Deducimos que $x+y=1$ para $a\neq\frac{-3}{4}$. Para $a=\frac{-3}{4}$, sustituimos en la expresión del enunciado y obtenemos también que $x+y=1$. Queda así demostrado que dicha expresión es igual a $1$ para todo $a\geq\frac{-3}{4}$.